分布式光纤传感系统在线路防护中的应用
发布时间：2021-08-30 10:07
传统的油气管线的监控技术存在成本高、易受环境影响、探测距离短、无法实现长距离分布式监控等劣势。光纤传感器因其具有抗电磁干扰、耐恶劣环境、等优势在安防、军事、管线防护等领域具有广泛的应用前景。其中,基于相位敏感光时域反射计（Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Φ-OTDR）原理的分布式光纤振动传感系统具有结构简单、定位精度高、单个分布式传感系统可监测数十至数百公里的距离等优势,已在油气管道、输电线等线路防护领域引起了极大的关注。本文针对Φ-OTDR分布式光纤振动传感系统在油气管线监控领域的扰动定位和扰动事件分类识别等问题进行理论与实验研究。本文主要完成的工作如下:（1）介绍Φ-OTDR的基本原理及基于3ⅹ3解调技术的分布式光纤传感系统的光学系统结构和解调算法,对系统具有线性的幅频响应特性设计实验验证,实验研究结果表明系统可实现对振动信号的无失真测量;利用小波阈值去噪算法和滑动平均算法实现振动信号的降噪处理,提高系统的信噪比。（2）提出振动信号自动定位方法,实现了高分辨率的自动定位,为入侵信号自动定位预警奠定了基础;实现分布式...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1分布式光纤振动传感系统原理示意图
电子科技大学硕士学位论文8第二章基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感预警技术原理本章主要介绍基于Φ-OTDR原理的分布式光纤传感系统原理。先介绍光在光纤的两种散射：弹性散射和非弹性光散射；然后对Φ-OTDR系统的基本结构及Φ-OTDR分布式传感系统的一些基本性能参数进行了介绍；最后介绍了有关特征提取和模式识别的基本原理。2.1光在光纤中的散射理论光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。光纤中的散射现象主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，可以分为弹性散射光和非弹性散射光[31]。其中，散射现象中最常见的是弹性光散射，主要包括米氏散射、瑞利散射两种，是一种线性反弹过程，发生碰撞时，光子的能量不发生改变，波长和频率也不发生变化，仅仅是光子运动的方向发生了变化。而非弹性光散射过程中，光子在碰撞前后能量不一致，波长和频率也会变化，主要包括布里渊散射和拉曼散射。图2-1展示了几种散射光的示意图。由图中可以看出，非弹性散射中的布里渊散射和拉曼散射都会相对于入射光产生一定的频率偏移，并且都会产生较高频率和较低频率的两种散射光，其中较低频率的散射光称为斯托克斯光，而较高频率的散射光称为反斯托克斯光[32]。图2-1光纤中的三种散射光示意图2.1.1光纤中的弹性光散射光纤中的瑞利散射是弹性光散射，由于光具有波粒二象性，入射光也可以看做
电子科技大学硕士学位论文10耗点及发现光纤连接点，系统结构如图2-3所示：图2-3OTDR系统结构图激光器发出连续激光作为系统的光源，经过施加脉冲信号驱动的声光调制器（AcousticOpticalModulator，AOM）后，连续激光被调制成脉冲光信号，调制后的脉冲光经过环形器进入传感光纤，后向瑞利散射光经环形器3端口输出到光电转换器，转换后的电信号经过采集卡实现模数转换并将数据交于上位机软件进行处理。由于光纤沿线所有位置都会产生后向瑞利散射光，而光电探测器可以一条连续的瑞利散射光强信号曲线。不同时间点接收到的信号代表光在光纤上不同位置发出的后向瑞利散射信号，由此可以由接收到的后向瑞利散射光强在不同时刻的变化来监测光纤各个位置的衰减和损耗情况。如图2-4是一组典型的OTDR曲线。图2-4OTDR曲线由于OTDR使用的是宽带光源，相干性比较差，需要多次平均获得测量结果，因而对于快速变化的振动信号无法进行实时准确的探测，通常被应用于光纤长度及光纤损耗分布情况的测量。激光器声光调制器光电探测器环形器传感光纤
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于图像处理的光纤预警系统模式识别[J]. 孙茜,封皓,曾周末. 光学精密工程. 2015(02)
[2]经验模态分解法在光纤光栅围栏报警系统中的应用[J]. 蒋祺,饶云江. 光学与光电技术. 2009(03)
[3]油气管道安全分布式光纤预警系统研究[J]. 曲志刚,靳世久,周琰. 压电与声光. 2006(06)
硕士论文
[1]基于小波变换和改进神经网络的S700K转辙机故障诊断研究[D]. 张钉.兰州交通大学 2019
[2]Φ-OTDR分布式光纤传感系统信噪比增强与模式识别研究[D]. 杨经国.西南交通大学 2018
[3]基于φ-OTDR的分布式光纤传感扰动预警技术研究[D]. 况洋.重庆大学 2018
[4]基于小波变换与SVM的钻杆故障诊断[D]. 张少奇.浙江大学 2018
[5]基于模拟外差解调的光纤分布式振动传感系统的设计与实现[D]. 宋情.电子科技大学 2017
[6]分布式光纤传感系统的信号处理技术研究[D]. 徐铖晋.浙江大学 2017
[7]基于SVM的Φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统模式识别研究[D]. 张俊楠.北京交通大学 2017
本文编号：3372580
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1分布式光纤振动传感系统原理示意图
电子科技大学硕士学位论文8第二章基于Φ-OTDR的分布式光纤振动传感预警技术原理本章主要介绍基于Φ-OTDR原理的分布式光纤传感系统原理。先介绍光在光纤的两种散射：弹性散射和非弹性光散射；然后对Φ-OTDR系统的基本结构及Φ-OTDR分布式传感系统的一些基本性能参数进行了介绍；最后介绍了有关特征提取和模式识别的基本原理。2.1光在光纤中的散射理论光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。光纤中的散射现象主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，可以分为弹性散射光和非弹性散射光[31]。其中，散射现象中最常见的是弹性光散射，主要包括米氏散射、瑞利散射两种，是一种线性反弹过程，发生碰撞时，光子的能量不发生改变，波长和频率也不发生变化，仅仅是光子运动的方向发生了变化。而非弹性光散射过程中，光子在碰撞前后能量不一致，波长和频率也会变化，主要包括布里渊散射和拉曼散射。图2-1展示了几种散射光的示意图。由图中可以看出，非弹性散射中的布里渊散射和拉曼散射都会相对于入射光产生一定的频率偏移，并且都会产生较高频率和较低频率的两种散射光，其中较低频率的散射光称为斯托克斯光，而较高频率的散射光称为反斯托克斯光[32]。图2-1光纤中的三种散射光示意图2.1.1光纤中的弹性光散射光纤中的瑞利散射是弹性光散射，由于光具有波粒二象性，入射光也可以看做
电子科技大学硕士学位论文10耗点及发现光纤连接点，系统结构如图2-3所示：图2-3OTDR系统结构图激光器发出连续激光作为系统的光源，经过施加脉冲信号驱动的声光调制器（AcousticOpticalModulator，AOM）后，连续激光被调制成脉冲光信号，调制后的脉冲光经过环形器进入传感光纤，后向瑞利散射光经环形器3端口输出到光电转换器，转换后的电信号经过采集卡实现模数转换并将数据交于上位机软件进行处理。由于光纤沿线所有位置都会产生后向瑞利散射光，而光电探测器可以一条连续的瑞利散射光强信号曲线。不同时间点接收到的信号代表光在光纤上不同位置发出的后向瑞利散射信号，由此可以由接收到的后向瑞利散射光强在不同时刻的变化来监测光纤各个位置的衰减和损耗情况。如图2-4是一组典型的OTDR曲线。图2-4OTDR曲线由于OTDR使用的是宽带光源，相干性比较差，需要多次平均获得测量结果，因而对于快速变化的振动信号无法进行实时准确的探测，通常被应用于光纤长度及光纤损耗分布情况的测量。激光器声光调制器光电探测器环形器传感光纤
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于图像处理的光纤预警系统模式识别[J]. 孙茜,封皓,曾周末. 光学精密工程. 2015(02)
[2]经验模态分解法在光纤光栅围栏报警系统中的应用[J]. 蒋祺,饶云江. 光学与光电技术. 2009(03)
[3]油气管道安全分布式光纤预警系统研究[J]. 曲志刚,靳世久,周琰. 压电与声光. 2006(06)
硕士论文
[1]基于小波变换和改进神经网络的S700K转辙机故障诊断研究[D]. 张钉.兰州交通大学 2019
[2]Φ-OTDR分布式光纤传感系统信噪比增强与模式识别研究[D]. 杨经国.西南交通大学 2018
[3]基于φ-OTDR的分布式光纤传感扰动预警技术研究[D]. 况洋.重庆大学 2018
[4]基于小波变换与SVM的钻杆故障诊断[D]. 张少奇.浙江大学 2018
[5]基于模拟外差解调的光纤分布式振动传感系统的设计与实现[D]. 宋情.电子科技大学 2017
[6]分布式光纤传感系统的信号处理技术研究[D]. 徐铖晋.浙江大学 2017
[7]基于SVM的Φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统模式识别研究[D]. 张俊楠.北京交通大学 2017
本文编号：3372580
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